Ekstremt hurtige elektrokrome superkondensatorer

Under materialeteknik, et netværk af små huller eller porer kan forbedre energilagringskapaciteten af ​​materialer til applikationer som smarte vinduer. Smartvinduer er platforme, hvis lystransmissionsegenskaber kan ændres, når lys, spænding eller varme tilføres. Forskere kan kontrollere den del af lys, der passerer gennem materialet, ved hjælp af en elektrisk spænding til elektrisk at skifte fra transparente til uigennemsigtige materialer under ladningsoverførsel. Selvom denne funktion er forbundet med lagring og frigivelse af energi, de samme materialer kan også bruges til energilagring. I en ny rapport, Jeon-Woo Kim og et team af forskere ved Pohang University of Science and Technology i Sydkorea udviklede og forbedrede elektrokrome superkondensatorer lavet af wolframtrioxid (WO) ₃ ). De brugte en fordampningsinduceret selvsamlingsproces til at afsætte en film af wolframtrioxid med porer, hvor den porøse arkitektur øgede omskiftningshastigheden og kapacitansen i materialet sammenlignet med konventionelle wolframtrioxid-tynde film. Værket er nu udgivet på Natur Asien materialer .

Fotonik:smarte vinduer og energilagring

Under dette arbejde, Kim et al. demonstrerede den ultrahurtige reaktion af elektrokrome superkondensatorer ved at udforske den mesoporøse struktur af de indgående materialer. Elektrokrome enheder (ECD'er) kan generere reversible farveændringer, der svarer til elektricitet med lovende applikationer på tværs af smarte vinduer, displays og militær camouflage. Enhederne kan også styre lystransmission til byggematerialer til klimatilpassede energieffektive bygninger. Funktionaliteten af ​​ECD'er kan udvides til energilagringsenheder kendt som elektrokrome superkondensatorer (ECS). Sådanne superkondensatorer er i stigende grad under undersøgelse som næste generations elektrokemiske komponenter, der er i stand til at ændre deres egne optiske egenskaber og lagre den tilførte energi. Deres iboende optiske egenskaber kan derfor direkte afsløre de energiniveauer, der er lagret i realtid. Forskere havde udviklet sådanne højtydende enheder ved hjælp af elektrokrome kromoforer baseret på overgangsmetaloxider såsom wolframtrioxid på grund af deres overlegne elektrokemiske egenskaber. De elektrokrome skærme, der er udviklet her, kan ændre farve baseret på deres lagrede energiniveauer, og produktet vil have brede implikationer som næste generations smarte vinduesmaterialer til bygninger og bærbar energilagring.

Udvikling af de nye materialer og opbygning af enheden

Forskerne detaljerede fremstillingsprocessen ved hjælp af en blandet opløsning af tetrahydrofuran og polystyren- blok -polyethylenoxid og ethanolbaseret wolframhexachlorid (WCl ₃ ) som en forløber for wolframtrioxid. Den resulterende film indeholdt uorganisk-organiske kompositter. De kalcinerede derefter kompositten for delvist at fjerne de organiske komponenter og omdanne resten til amorft kulstof. De uorganiske komponenter undergik kondensation for at danne wolframtrioxid, og den resulterende kompositfilm indeholdt en carbon/wolframtrioxidstruktur. Holdet udsatte efterfølgende filmen for oxygenplasma for at fjerne det amorfe kulstof, hvilket de bekræftede ved hjælp af Raman-spektroskopi. Ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM), forskerne støttede den mesoporøse struktur af det resulterende wolframtrioxid (WO ₃ ) film med små porer (mindre end 30 nm) og en tykkelse på ca. 250 nm.

Kim et al. forventet ultrahurtig dynamik med mesoporøs WO ₃ -baserede elektrokrome superkondensatorer (betegnet meso -WO ₃ -ECs), og til sammenligning, de udviklede også en kompakt enhed betegnet kompakt -WO ₃ -EC'er ved hjælp af WO ₃ nanopartikler. Derefter registrerede de UV-vis transmittansspektrene ved forskellige påførte spændinger for at forstå den elektrokrome opførsel af de to enheder. Når den påførte spænding steg, transmittansen faldt gradvist over hele området af synlige lysbølgelængder på grund af redoxreaktioner i opstillingen. Holdet kunne derefter genoprette enhedens gennemsigtige blegede tilstand ved at anvende en 2,3 spænding.

Sammenligning af enhedsfunktionalitet

For at sammenligne den elektrokrome dynamiske respons af de to enheder, Kim et al. registrerede transmittansprofilerne ved 700 nm, og ved vekslende potentialer. Det meso -WO ₃ -ECS-enhed viste stor optisk modulation og ultrahurtig farvning på 0,8 sekunder og en blegningstid på 0,4 sekunder, væsentlig hurtigere end tidligere rapporter. Holdet opnåede ikke en tilsvarende stabil tilstand af farvning og blegning under de samme forhold som kompakt -WO ₃ -ECS. Resultaterne afhang af enhedernes overfladeareal, hvor er meso -WO ₃ -ECS-enhed forbrugte mindre energi sammenlignet med kompakt -WO ₃ -ECS.

Typisk, elektrokrome superkondensatorenheder skal opretholde cyklusstabilitet under hurtige responsforhold. Yderligere test under hurtige skifteforhold mellem farvning og blegning i 1000 cyklusser viste derfor, hvordan den mesoporøse enhed beholdt 85,5 procent af deres oprindelige optiske modulation, mens den optiske modulation af kompakte enheder faldt. Holdet krediterede den mesoporøse enheds fremragende stabilitet til dens karakteristiske arkitektur med et stort overfladeareal, velegnet til dynamiske applikationer, der kræver hurtig respons.

Ladningsoverførselsdynamik

Kim et al. derefter sammenlignede ladningsoverførslen og ionkinetikken for enhederne, og resultaterne viste en mindre kontaktmodstand, mindre ladningsoverførselsmodstand og lavere iondiffusionsmodstand for de mesoporøse enheder. Enhederne viste væsentligt forskellige ladningslagringsevner, da den funktionelle strømtæthed steg. Arbejdet indebar, at de mesoporøse superkondensatorer var mere lovende sammenlignet med de kompakte enheder for at danne hurtigopladnings- og afladningsenheder med enestående langtidsstabilitet. Holdet så direkte de lagrede energiniveauer af superkondensatorerne. Den mesoporøse enhed viste ingen signifikant nedbrydning af optisk kontrast, som de krediterede dets effektive og hurtige iontransportegenskaber. Med kompakte enheder, den optiske modulation faldt dramatisk, mens strømtætheden steg, de kompakte enheder var derfor ikke så effektive til højhastighedsfunktionalitet på grund af deres ineffektive iontransport og langsomme ladningsoverførsel.

Udskrivning og fordampningsinduceret selvsamling

Holdet kombinerede derefter udskrivning og fordampningsinduceret selvsamling for at udvikle den yderst funktionelle, energilagre, elektrokrome superkondensatorskærme. Denne trykproces frembragte en micellær struktur gennem dysen efter fordampning, som de derefter underkastede sekventiel kalcinering og oxygenplasmabehandling for at danne en mønstret mesoporøs WO ₃ enhed til energilagringsapplikationer. Da de opladede enheden, mønstrene blev mørkeblå for at angive den opladede tilstand. For at bevise sin virkningsmekanisme, holdet sluttede enheden til en hvid-lysdiode (LED), der oprindeligt udsendte lys, når den lagrede energi blev forbrugt, enheden vendte tilbage til sin oprindelige gennemsigtige tilstand.

Outlook:næste generation af smart elektronik.

På denne måde Jeon-Woo Kim og kolleger udviklede multifunktionelle elektrokrome superkondensatorer baseret på amorf mesoporøs WO ₃ film. Sammenlignet med den kompakte version af elektrokrome superkondensatorer ( kompakt -WO ₃ -ECS), de mesoporøse elektrokrome superkondensatorer ( meso -WO ₃ -ECS) viste overlegen ydeevne. Forskerne krediterede dette for dets store overfladeareal og amorfe natur. De mesoporøse enheder fungerede hurtigt for at tjene som elektrokemiske reflekterende displays og til at lagre elektrisk ladning. Denne opsætning kan også drive andre elektroniske enheder, da farveintensiteten af ​​mønsteret på enheden indikerede niveauet af lagret energi indeni. Resultaterne vil have et enormt potentiale til at danne næste generation af smart elektronik.

© 2021 Science X Network